余冰清

摘  要： 为解决历史博物馆的空间与时间局限性，采用可视化交互技术设计数字化博物馆动态全景虚拟展示系统。通过数字化博物馆设计模块获取可使用的物品信息列表，生成VM文件;利用数字化博物馆浏览模块分析VM文件，将二维平面图拉伸变化为三维空间图，提供给浏览者浏览使用。系统软件设计数字化博物馆技术构建流程，采用线性化算法运算点击次数，根据点击次数反映权重实现字体可视化，构建标签云组件，提供交互服务，便于浏览者高效了解博物馆信息。验证结果显示该系统虚拟展示效果佳、应用性强。

关键词： 可视化交互技术; 数字化博物馆; 动态全景虚拟展示; 线性化算法; 交互服务; 系统设计

中图分类号： TN911?34; TP311                 文献标识码： A                    文章编号： 1004?373X（2019）12?0140?04

Abstract： A dynamic panoramic virtual display system of the digital museum is designed by using the visual interaction technology， so as to solve the time and space limitation problem of the history museum. The digital museum design module is used to obtain the usable item information list and generate the VM file. The digital museum browsing module is used to analyze the VM file. The two?dimensional planar map is stretched into the three?dimensional space map for browsers to browse and use. For the system software， the construction process of the digital museum technology is designed. The linearized algorithm is used to calculate the click times. The weight is reflected according to the click times to achieve font visualization， build tag cloud components， and provide interactive services， so that the browsers can understand museum information efficiently. The verification results show that the system has a good virtual display effect and strong applicability.

Keywords： visual interactive technology; digital museum; dynamic panoramic virtual display; linearized algorithm; interactive service; system design

0  引  言

人们在浏览博物馆内各种文物时，受条件与时间所限，无法近距离、长时间地观察古文物。为解决历史博物馆的空间与时间局限性[1]，數字化博物馆应运而生。数字化博物馆的定义范围分为狭义与广义两种，通过数字技术再现博物馆展品是狭义上的数字化博物馆，而涵盖现实世界内只存在于网络内无实体的虚拟展示，即广义上的数字化博物馆。作为科技应用结合艺术展示的综合性成果，数字化博物馆具有一项最主要的特征——交互性[2]，数字化博物馆的交互性决定着参观过程中，浏览者能否进行高质量可视化虚拟交互体验。

科技的快速发展使多媒体技术与VR技术愈发成熟，当前，交互技术已经由静态二维界面的交互发展为多维信息空间中的交互[3]，实现这一跨越式发展的基础为面向虚拟环境中使用者多层次、动态性的行为实施研究与设计。

因此，设计基于可视化交互技术的数字化博物馆动态全景虚拟展示系统，方便浏览者更加高效地获取和了解博物馆信息。

1  数字化博物馆动态全景虚拟展示系统

1.1  整体结构设计

数字化博物馆动态全景虚拟展示系统由浏览者同物品数据库管理模块、数字化博物馆设计模块和数字化博物馆浏览模块共同组成，见图1。

图1  数字化博物馆动态全景虚拟展示系统结构框架

图1中：浏览者同物品数据库管理模块的主要功能是修正、添加和删减MySQL数据库、FTP服务器内的物品信息;数字化博物馆设计模块主要功能是查阅供浏览的物品信息，将信息从MySQL数据库和FTP服务器内下载至本地，浏览者依照自身需求，在设置数字化博物馆二维平面图成功后置入物品，构建VM模型文件[4];数字化博物馆浏览模块分析所构建的VM模型文件，同时展示所构建的数字化博物馆动态全景。

1.2  数字化博物馆设计模块

数字化博物馆设计模块确保浏览者在成功登录系统后，在数据库内依照浏览者级别得到能够使用的物品信息列表[5]。在画板内生成数字化博物馆的二维平面图，在本地平面内选取图片作为数字化博物馆不同区域的纹理。将物品信息列表中所列物品置于数字化博物馆展示系统二维平面图中，同时生成VM文件，具体过程如图2所示。

图2  数字化博物馆设计模块

VM文件内保存的信息包括：数字化博物馆二维平面图内顶点的数量以及不同顶点位置信息;数字化博物馆内物品数量、物品ID和物品位置信息;本模块内设定的浏览者初始位置信息。

1.3  数字化博物馆浏览模块

数字化博物馆浏览模块的主要功能是分析数字化博物馆设计模块中的VM文件，将数字化博物馆设计模块中的二维平面图拉伸变化为三维空间图[6]，并提供给浏览者浏览使用，具体过程如图3所示。

图3  数字化博物馆浏览模块设计

浏览者通过数字化博物馆设计模块获取包含数字化博物馆信息的VM文件，通过数字化博物馆浏览模块打开VM文件，获取其中包含的数字化博物馆信息。在数字化博物馆展示系统内，浏览者利用键盘能够实现交互浏览漫游。

1.4  软件设计

1.4.1  数字化博物馆技术构建流程设计

浏览者需求是数字化博物馆展示系统的根本[7]。为了满足浏览者的需求，在数字化博物馆技术构建流程中，采用展示设计、人际交互理论以及可视化技术等，构建流程如图4所示。

图4  数字化博物馆技术构建流程

主题确定与需求分析阶段中主要是全方位分析数字化博物馆展示系统的主题。研究该主题的必要性与可行性，基于该主题全面规划系统结构，同时明确数字化博物馆最终的功能与目标。总体架构设计阶段基于上一阶段分析结果规划设计系统整体架构，确定数字化博物馆内场景、展示方法和功能目标的整体框架;明确同实际一致的交互行为，设计数字化博物馆的交互功能，明确不同交互功能的实现过程。三维模型构建阶段通过三维建模软件构建规划完成的博物馆场景与所需模型，设定灯光与材质等表现效果，获取真实的浏览体验。实现可视化交互功能阶段在可视化交互软件内导入构建完的博物馆场景与模型，对其实施优化处理，实现优质的可视化交互功能。实现可视化交互后，以网页格式或执行文件格式输出博物馆可视化交互结果，并发布到相应网站中。

1.4.2  标签云组件设计

具有权重的标签集合即标签云[8]，依据差异字体和其他可视化形式反映标签权重差异，浏览者采用标签连接得到相关信息。在展示系统中使用标签云组件，组件内的标签由浏览者与专家构建，信息的主题与类别等通过信息的标签呈现，浏览者采用标签获取与主题关联的信息。标签云组件中设置字体大小的依据是标签权重，标签访问次数描述标签权重大小，通过字体大小差异反应浏览度较高的相关信息。

标签云组件中实现标签名称、构建时间与标签连接等信息存储功能的是TagBean.java类，通过Java包含的数据类型HashMap保存标签主题与其相应的TagBean对象。如何将点击标签次数科学映射至标签字体差异上是实现标签云组件的核心[9]。统计数据库中全部标签点击次数后得到点击次数的分布具有不均匀性，与正态分布相似。系统为使用户点击次数均匀分布于字体差异区间中，采用线性化算法运算点击次数[10]，具体过程为：

式中：[E]，[W]和[FontSizei]分别为标签点击次数平均差、线性斜率以及标签[i]字体差异值;[hitNumi]，[m]和[meanNum]分别为标签[i]的点击次数、数据库内标签总量和全部标签点击平均值;[maxSize]，[minSize]和[midSize]分别为标签字体差异区间的最大值、标签字体差异区间的最小值以及字体差异的中间值。

计算过程的第一步是确定全部标签点击次数的[E];通过汇总获取全部标签点击次数的偏离误差范围为[-2E]～[2E]，通过式（2）确定[W];在此基础上利用[meanNum]与[midSize]等值确定标签[i]的字体差异值。

2  實验分析

2.1  虚拟展示效果

以我国某省博物馆为实验对象，采用本文设计的基于可视化交互技术的数字化博物馆动态全景虚拟展示系统实现实验对象的全景虚拟展示，分析本文系统虚拟展示效果，结果见图5。图5中数字化博物馆虚拟展示结果表明，本文系统能够有效展示数字化博物馆展厅与数字化博物馆外观。

2.2  实用性

实验通过问卷调查方式，对100名数字化博物馆参观者进行调查，分析问卷调查结果见图6和图7，以验证本文系统的实用性。分析图6与图7可得，本文数字化博物馆虚拟展示系统与实体浏览博物馆相比具有物品信息全面、技术创新、自主操作、节省时间和动画展示等优势。基于这些优势，学生与科教文卫相关人员更多倾向于采用数字化博物馆展示系统浏览、了解博物馆相关信息，而机关企业由于条件所限，对数字化博物馆与实体博物馆的倾向差距较小。以上结论说明本文设计数字化博物馆虚拟展示系统具有较高的实用性。

图5   数字化博物馆动态全景虚拟展示结果

图6  本文数字化博物馆虚拟展示系统参观兴趣点

图7  博物馆人员流动变化

3  结  论

本文构建基于可视化交互技术的数字化博物馆动态全景虚拟展示系统，通过浏览者同物品数据库管理模块、数字化博物馆设计模块和数字化博物馆浏览模块实现数字化博物馆全景展示。采用线性化算法运算点击次数，根据点击次数反映权重构建标签云组件，提供交互服务。结果表明，本文系统不仅能够有效展示博物馆全景，相比于实体博物馆具有物品信息全面、技术创新、自主操作、节省时间和动画展示等优势，能够实现全方位、高效率、高精度的虚拟展示。

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